В предыдущих публикациях уже были рассмотрены основополагающие аспекты кремниевой и арсенид-галлий-алюминиевой технологий. В данной части будут показаны возможности реализации преобразователей оптико-электрического интерфейса (3D ФЭФ М ПОЭИ), многоканальных 3D ФЭФ-модулей абонентского сопряжения (3D М ФЭФ М АС) и многоканальных 3D ФЭФ-модулей высокоскоростных вычислений (3D МФЭФ М ВВ), представленных в концепте решений по созданию высокопроизводительных информационно-вычислительных, коммутационных и радиолокационных устройств, систем и комплексов, с описанием технических характеристик и способов кодирования при обработке и передаче информации.
Преобразователь оптико-электрического интерфейса (3D М ФЭФ М ПОЭИ)
Разработанный 3D М ФЭФ М преобразователь оптико-электрического интерфейса реализует передачу и приём многоканальных оптических сигналов, обеспечивая обмен цифровыми данными с управляющим процессором фирмы Texas Instruments по интерфейсу External Memory Interface (EMIFA). Преобразователь представляет собой бескорпусную flip-chip сборку кристаллов матрицы 3D ФЭ СБИС М А/Ц и 3D М ЭФ СБИС VCSL и выполняет задачи преобразователя, позволяя соединить многоканальный оптический интерфейс с электрическим СВЧ-интерфейсом. На рисунке 70 представлены режимы, функциональные связи и форматы преобразования оптических и электрических сигналов 3D М ФЭФ М ПОЭИ.
Примечание: А – аналоговый сигнал; Ц – цифровой сигнал; hλ – оптический сигнал; ¯e – электрический сигнал; сс – системные синхронные сигналы разрешения ввода/вывода по оптическим аналоговым каналам; линии на рисунке – электрический последовательный вход/выход.
Работу таких режимов обеспечивают следующие технические характеристики 3D М ФЭФ М ПОЭИ:
- матрица из 64 (8×8) АЦП для ввода и преобразования оптической информации;
- матрица из 64 (8×8) ЦАП для преобразования и вывода электрической информации;
- матрица из 64 (8×8) VCSEL для вывода оптической информации.
- количество оптических каналов ввода/вывода – 64/64 канала;
- скорость электрического ввода-вывода – 166 МГц;
- скорость оптического многоканального ввода-вывода – до 166 МГц;
- 3D М ФЭФ М ПОЭИ обеспечивает многоканальную связь и транзит информации вида: оптический-оптический, оптический-электрический, электрический-оптический;
- работу перечисленных элементов обеспечивает блок электрического интерфейса объёмом 64 бит.
Информация по волоконно-оптическим линиям между 3D М ФЭФ М ПОЭИ передаётся с помощью оптических импульсов. Цифровая информация передаётся постоянно модулированным оптическим сигналом с произвольной выборкой в канальном, регистровом 8-битовом, или слайсово-матричном 64-битовом режимах, а аналоговая – переменно модулированным сигналом.
Обмен информацией между 3D М ФЭФ М ПОЭИ осуществляется в полудуплексном режиме. Данные через 64-разрядную шину EMIFA микроконтроллера параллельно передаются в 3D М ФЭФ М ПОЭИ, записываются в 64 8-разрядные буферные регистры 3D М ЭФ СБИС А/Ц и через 3D М ЭФ СБИС VCSEL передаются модулированным оптическим импульсом в оптоволоконные каналы.
Цифровая передача осуществляется последовательными оптическими импульсами, значение информационного бита представляется линейным кодом. Значению бита «1» соответствует наличие импульса света, значению бита «0» соответствует отсутствие оптического импульса.
Аналоговая передача осуществляется дискретно-квантованными оптическими импульсами с переменной токовой модуляцией мощности света, соответствующей значению информационного байта.
Передача данных по ВОЛС с постоянной или переменной модуляцией оптических импульсов обеспечивается линейностью VCSEL-излучателя.
В лазерных излучателях VCSEL при токе больше значения порогового (1,75 мА) интенсивность свечения лазера увеличивается пропорционально. В кремниевых фотоприёмниках фототок имеет прямую зависимость от входной оптической мощности.
Передача цифровых сигналов производится импульсами в формате ВН (с возвратом к нулю). Длительность импульса занимает только часть тактового интервала при единичном бите, при нулевом бите импульсы не передаются. В 3D М ФЭФ М ПОЭИ передача цифровых сигналов по ВОЛС осуществляется с тактовой частотой 166 МГц и с длительностью 3,2 нс единичного оптического импульса.
Передача аналоговых сигналов производится импульсом, вес каждого кодового слова информации передаётся или записывается с помощью сигналов переменной оптической величины. В 3D М ФЭФ М ПОЭИ передача аналоговых сигналов по ВОЛС осуществляется с тактовой частотой 83 МГц и с длительностью 6,4 нс квантованного оптического импульса.
Цифровая передача информационных потоков по каналам ВОЛС обеспечивает:
- по одному каналу – 166 Мбит;
- по 8-битной строке – 1,328 Гбит;
- по 8-битному столбцу – 1,328 Гбит;
- слайсом 64-битной матрицы – 10,624 Гбит.
Аналоговая передача информационных потоков по каналам ВОЛС обеспечивает:
- по одному каналу – 664 Мбит;
- по 8-битной строке – 5,312 Гбит;
- по 8-битному столбцу – 5,312 Гбит;
- слайсом 64-битной матрицы – 42,496 Гбит.
Многоканальный 3D ФЭФ-модуль абонентского сопряжения (3D М ФЭФ М АС)
3D М ФЭФ М АС – это прибор гибридной сборки бескорпусных 3D ФЭ СБИС и корпусных полупроводниковых микросхем на металлокерамической подложке, имеющей многоканальные оптические и электрические связи.
3D М ФЭФ М АС предназначен для подключения к оконечным устройствам с помощью оптических и электрических связей с помощью АЦП и ЦАП. Преобразователь реализует функции скоростного ввода/вывода информации по многоканальным оптическим линиям связи как непрерывных (аналоговых), так и дискретных (бинарных) сигналов. Также прибор осуществляет сигнальную обработку информации и обеспечивает электрическую интерфейсную связь с функциональными компонентами и с хост-ЭВМ.
3D М ФЭФ М АС реализует обмен информацией по электрическим и волоконно-оптическим линиям связи в следующих режимах:
- аналоговый (сигнал непрерывный во времени и по значению);
- дискретный (сигнал дискретный во времени и по значению);
- цифровой (сигнал дискретный во времени и квантованный по значению);
- цифроаналоговый (сигнал непрерывный во времени и квантованный по значению).
- 3D М ФЭФ М АС как элемент системы имеет различные по функциональному назначению элементы системы:
- 3D М ФЭФ М АС-Х1 предназначен для подключения к оконечным устройствам с помощью высокоскоростных многоканальных АЦП, ЦАП по электрическим каналам;
- 3D М ФЭФ М АС-Х2 предназначен для подключения к оконечным устройствам с помощью низкоскоростных многоканальных АЦП, ЦАП по электрическим каналам;
- 3D М ФЭФ М АС-Х3 предназначен для подключения к 3D М ФЭФ М АС-Х1, -Х2 с помощью одноканальных ВОЛС и к 3D М ФЭФ М ВВ с помощью многоканальных ВОЛС и электрического канала SRIO.
3D М ФЭФ М АС-Х1 и 3D М ФЭФ М АС-Х2 реализуют подключение к оконечным устройствам с помощью высокоскоростных многоканальных оптических линий связи с использованием оптоэлектронных АЦП, ЦАП. К оконечным устройствам относятся измерительные приборы, датчики, исполнительные устройства. Оконечное устройство, подключённое к 3D М ФЭФ М АС, образует интеллектуальный порт описанной системы.
Технические характеристики 3D М ФЭФ М АС-Х1:
- стандартный интерфейс связи АЦП, ЦАП и управления с абонентской аппаратурой оконечного устройства;
- число оптических каналов ввода/вывода – 64 соответственно;
- скорость приёма/передачи информации по оптическим линиям не менее 166 МГц;
- разрядность оптоэлектронных АЦП, ЦАП – 28;
- пропускная способность 3D М ФЭФ М АС-Х1 по оптическим каналам 10 624 Гбит/с;
- число каналов АЦП – 2, с частотой выборки до 3 ГГц;
- число каналов ЦАП в DAC – 2, с частотой до 3 ГГц.
Технические характеристики 3D М ФЭФ М АС-Х2:
- стандартный интерфейс связи АЦП, ЦАП и управления с абонентской аппаратурой оконечного устройства;
- число оптических каналов ввода/вывода – 64 соответственно;
- скорость приёма/передачи информации по оптическим линиям не менее 166 МГц;
- разрядность оптоэлектронных АЦП, ЦАП – 28;
- пропускная способность 3D М ФЭФ М АС-Х2 по оптическим каналам 10 624 Гбит/с;
- число каналов АЦП – 16, с частотой выборки до 1 МГц;
- число каналов ЦАП в DAC – 8, с частотой до 1 МГц.
Обобщённая структурная схема элементов 3D М ФЭФ М АС-Х1, -Х2 (60×30 мм) приведена на рисунке 71.
Технические характеристики 3D М ФЭФ АС-Х3:
- стандартный интерфейс связи АЦП, ЦАП и управления с абонентской аппаратурой оконечного устройства;
- число оптических каналов ввода/вывода – 128 (2×64);
- скорость приёма/передачи информации по оптическим линиям не менее 166 МГц;
- разрядность оптоэлектронных АЦП, ЦАП – 28;
- пропускная способность 3D М ФЭФ М АС-Х3 по оптическим каналам 21 248 Гбит/с.
Структурная схема элемента 3D М ФЭФ М АС-Х3 (60×30 мм) приведена на рисунке 72.
Конструкция 3D М ФЭФ М АС представляет собой многослойную керамическую полосковую плату, изготовленную по технологии LTCC с установленными на ней оптоэлектронными и электронными элементами и разъёмами с многоканальными линзовыми растрами.
Эскиз конструкции 3D М ФЭФ М АС приведён на рисунке 73.
На многослойной керамической полосковой плате 3D М ФЭФ М АС c двух сторон монтируются (методом перевёрнутого монтажа – flip-chip) оптоэлектронные кристаллы, корпусные микросхемы, навесные электронные элементы и разъём для шин питания, земли, синхронизации и интерфейсов связи.
Монтажная площадь кристаллов ФЭ СБИС полосковой платы с обеих сторон герметично закрывается корпусами разъёмов с многоканальными линзовыми растрами.
Установка корпусов разъёмов с многоканальными линзовыми растрами на полосковую плату должна обеспечить соосность многоканальных оптических каналов ввода/вывода.
3D М ФЭФ М АС имеет две функционально разделённые стороны. Сторона «Ф» – приём многоканального оптического сигнала, сторона «Л» – передача многоканального оптического сигнала.
Расположение элементов (ОЭ кристаллов и микросхем) и их связи на сторонах «Ф» и «Л» многослойной полосковой керамической платы показаны на рисунке 72.
Электрическая связь TMS320С6455 (сторона «Ф») с ПЛИС XC5VLX30T (сторона «Л») осуществляется через полосковую многослойную керамическую плату по интерфейсу SRIO 1х.
В полосковой многослойной керамической плате организована сквозная электрическая связь между зонными контактными площадками пикселов матрицы лазеров вертикального излучения, смонтированной на стороне «Л» и зонными контактными площадками пикселов матрицы кристалла с оптическими многоканальными входами, смонтированной на стороне «Ф».
Модуль 3D М ФЭФ М АС-Х1 (-Х2) выполнен на основе кристалла 3D ФЭ СБИС МА/Ц, кристалла 3D ФЭ СБИС МВЛ фирмы ООО «ОЭС», процессора TMS320С6455BGTZA, фирмы Texas Instruments, ПЛИС XC5VLX30T фирмы Xilinx, АЦП ADC08D1500 фирмы National Semiconductor для Х1 (ADS7953 фирмы Texas Instruments для Х2), DDS 1508ПЛ8Т фирмы «Элвис» для Х1 (TLV5630 фирмы Texas Instruments для Х2), кристаллов памяти DDR2-K4T1G164QE**E7 фирмы Samsung (или Micron) и кристаллов памяти EEPROM – AT24C512BU2-UU фирмы Atmel.
Конструкция 3D М ФЭФ М АС – это микросборка. Корпус имеет два соосно расположенных разъёма с многоканальными линзовыми растрами и электрический торцевой разъём QMS-052.
Разъёмы с многоканальными линзовыми растрами позволяют осуществлять связь как полным форматом – 128 оптических линий, так и раздельно по группам или отдельным каналам. Такая конструкция волоконно-оптических кабелей позволяет получить распределённую коммутационную связь (сеть) между 3D М ФЭФ М и удалёнными датчиками.
3D М ФЭФ М АС предназначен для построения многодатчиковых информационно-вычислительных систем обработки сигнальной информации и многопроцессорных высокопроизводительных систем обработки данных в реальном масштабе времени с высокой пропускной способностью. Модуль оснащён интерфейсами I2C, JTAG, ETHERNET, SRIO и предназначен для установки на мезонинной плате стандарта MicroTCA для высокопроизводительных информационно-вычислительных систем платформы MicroTCA OM.
Управление 3D М ФЭФ М АС осуществляется с помощью одноплатной хост-ЭВМ платформы MicroTCA OM. Высокопроизводительная обработка информации осуществляется с помощью процессора TMS320С6455.
Производительность процессора с фиксированной точкой TMS320С6455 – 2,9 МIPS (млн инструкций в с) / мВт.
Пропускная способность 3D М ФЭФ М АС-Х1 по оптическим каналам до 21,248 Гбит/с. Пропускная способность 3D М ФЭФ М АС-Х1 по электрическому интерфейсу SRIO до 3,125 Гбит/с, по интерфейсу EMAC до 1 Гбит/с.
3D М ФЭФ М АС функционирует со штатным программным обеспечением одноплатной хост-ЭВМ платформы MicroTCA OM.
Многоканальный 3D ФЭФ-модуль высокоскоростных вычислений (3D МФЭФ М ВВ)
3D М ФЭФ М ВВ – это прибор гибридной сборки бескорпусных 3D ФЭ СБИС и корпусных полупроводниковых микросхем на металлокерамической подложке и имеющий многоканальные оптические и электрические связи.
3D М ФЭФ М ВВ реализует функции скоростного ввода/вывода информации по многоканальным оптическим линиям связи как непрерывных (аналоговых), так и дискретных (бинарных) сигналов. Модуль осуществляет высокопроизводительную обработку информации и обеспечивает электрическую интерфейсную связь с функциональными компонентами. Он устанавливается на мезонинной плате стандарта MicroTCA, благодаря 128 оптическим каналам ввода/вывода, обеспечивающим скорость передачи по оптической линии до 166 МГц и общую пропускную способность 21,248 Гбит/с.
3D М ФЭФ М ВВ реализует обмен информацией по электрическим и волоконно-оптическим линиям связи в следующих режимах:
- аналоговый (сигнал непрерывный во времени и по значению);
- дискретный (сигнал дискретный во времени и по значению);
- цифровой (сигнал дискретный во времени и квантованный по значению);
- цифроаналоговый (сигнал непрерывный во времени и квантованный по значению).
Структурная схема 3D М ФЭФ М ВВ приведена на рисунке 74.
Конструкция 3D М ФЭФ М ВВ представляет собой многослойную керамическую полосковую плату с торцевым разъёмом SAMTEC, изготовленную по технологии LTCC с установленными на ней оптоэлектронными и электронными элементами и разъёмами с многоканальными линзовыми растрами.
Эскиз конструкции 3D М ФЭФ М ВВ приведён на рисунке 75.
На многослойной керамической полосковой плате 3D М ФЭФ М ВВ c двух сторон монтируются (методом перевёрнутого монтажа – flip-chip) оптоэлектронные кристаллы, корпусные микросхемы, навесные электронные элементы и торцевой разъём Samtec QMS-052 для шин питания, земли, синхронизации и интерфейсов связи.
Монтажная площадь кристаллов ФЭ СБИС полосковой платы с обеих сторон герметично закрывается корпусами разъёмов с многоканальными линзовыми растрами.
Установка корпусов разъёмов с многоканальными линзовыми растрами на полосковую плату должна обеспечить соосность многоканальных оптических каналов ввода/вывода.
Конструкция разъёма обеспечивает подключение других 3D М ФЭФ М ВВ для организации потоковой обработки данных или разъёма с оптическими волоконными коллекторами для организации внешней удалённой связи.
3D М ФЭФ М ВВ имеет две функционально разделённые стороны. Сторона «Ф» – приём многоканального оптического сигнала, сторона «Л» – передача многоканального оптического сигнала.
Расположение элементов (ОЭ кристаллов и микросхем) и их связи на сторонах «Ф» и «Л» многослойной полосковой керамической платы показаны на рисунке 74.
Электрическая связь TMS320С6455 (сторона «Ф») с TMS320С6474 (сторона «Л») осуществляется через полосковую многослойную керамическую плату по интерфейсу 2×SRIO 1х.
В полосковой многослойной керамической плате организована сквозная электрическая связь между зонными контактными площадками пикселов матрицы лазеров вертикального излучения, смонтированной на стороне «Л», и зонными контактными площадками пикселов матрицы кристалла с оптическими многоканальными входами, смонтированной на стороне «Ф».
3D М ФЭФ М ВВ выполнен на основе кристаллов 3D МФЭ СБИС ПП, кристаллов 3D М ЭФ СБИС ВЛ фирмы ООО «ОЭС», процессора TMS320С6455BGTZA, процессора TMS320С6474FGUNA фирмы Texas Instruments, кристаллов памяти DDR2-K4T1G164QE**E7 фирмы Sam-sung (или Micron) и кристаллов памяти EEPROM – AT24C512BU2-UU фирмы Atmel.
Конструкция 3D М ФЭФ М ВВ – это микросборка. Корпус имеет два соосно расположенных разъёма с многоканальными линзовыми растрами и электрический торцевой разъём QMS-052.
Разъёмы с многоканальными линзовыми растрами позволяют осуществлять связь между 3D М ФЭФ М ВВ как полным форматом – 128 оптических линий, так и раздельно по отдельным (групповым) каналам. Такая конструкция волоконно-оптических кабелей позволяет получить распределённую коммутационную связь (сеть) между 3D М ФЭФ М ВВ.
3D М ФЭФ М ВВ предназначен для построения многопроцессорных высокопроизводительных систем обработки данных в реальном масштабе времени с высокой пропускной способностью. Модуль оснащён интерфейсами I2C, JTAG, ETHERNET, SRIO, AIF и предназначен для установки на мезонинной плате стандарта MicroTCA для высокопроизводительных информационно-вычислительных систем платформы MicroTCA OM.
Управление 3D М ФЭФ М ВВ осуществляется с помощью одноплатной хост-ЭВМ платформы MicroTCA OM. Высокопроизводительная обработка информации осуществляется с помощью процессоров TMS320С6455 и TMS320С6474.
Производительность процессора с фиксированной точкой TMS320С6455 – 2,9 МIPS. Производительность процессора с плавающей точкой TMS320С6474 – 4,0 МIPS.
Пропускная способность 3D М ФЭФ М ВВ по оптическим каналам до 21 248 Гбит/с. Пропускная способность 3D М ФЭФ М ВВ по электрическому интерфейсу SRIO до 3,125 Гбит/с, по интерфейсу AIF до 3,072 Гбит/с, по интерфейсу EMAC до 1 Гбит/с.
3D М ФЭФ М ВВ функционирует со штатным программным обеспечением одноплатной хост-ЭВМ платформы MicroTCA OM.
В следующей части речь пойдёт о способах построения оптических процессоров, реализующих структуры векторно-матричных умножителей, и процессоров с мультиклеточной архитектурой. Будет представлена концепция построения многопроцессорной аналоговой и цифровой векторно-матричной вычислительной архитектуры с наращиваемой 3D-платформой вычислительных ядер и оптоэлектронных многоканальных коммутаторах стандарта SpaceWire, основанных на элементной базе 3D М ФЭФ М.
